05 Глава 1 Энергия

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Энергосбережение. Теория и практика.
Т. 1. Теоретические основы энергосбережения	Глава 1. Энергия

Электрическая энергия (электричество). Определяется как сово-

купность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) заряженных частиц. Электрическая энергия имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими видами произведенной энергии – возможность получения практически любых количеств энергии как от элемента размером со спичечную головку, так и от турбогенераторов мощностью более 1000 МВт, сравнительная простота ее передачи на расстояние и легкость преобразования в энергию других видов. Основная проблема – это ее хранение. Здесь возможности очень ограничены.

В настоящее время трудно представить себе жизнь без электроэнергии. Так, в США на долю электроэнергии приходится около 45 % используемой энергии. Электроэнергия находит применение и в электромобилях, и в производстве водородного топлива, в том числе и из воды и т. д.

Воздух. Это смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли: азот (78,08 %), кислород (20,95 %), инертные газы (0,94 %), углекислый газ (0,03 %). Плотность – 1,293 кг/м3, растворимость в воде 29,18 см3/л. Благодаря кислороду, содержащемуся в воздухе, он используется как химический агент в различных процессах (сжигание топлива, выплавка металлов из руд, получение многих химических веществ). Воздух – важнейшее промышленное сырье для получения кислорода, азота, инертных газов. Используется как теплоизоляционный и звукоизоляционный материал. Кроме того, сжатый воздух – рабочее тепло для совершения механической работы (пневматические устройства, струйные и распылительные аппараты и др.).

Кислород. Химический элемент, в свободном виде встречается в двух модификациях – О2 («обычный») и О3 (озон). О2 – газ без цвета и запаха, плотность – 1,42897 кг/м3. В химической практике самый активный неметалл. С большинством других элементов (водородом, многими металлами и др.) кислород как окислитель взаимодействует непосредственно и, как правило, с выделением энергии. Процесс окисления по мере повышения температуры и роста скорости реагирования переходит в режим горения. Разновидностью последнего можно назвать взрыв (детонация). Кислород (или обогащенный им воздух) применяются в металлургии, химической промышленности, при космических полетах, подводном плавании, в медицине. Жидкий кислород – окислитель ракетного топлива.

Использование кислорода в качестве окислителя вместо воздуха многократно увеличивает скорости горения (окисления), снижает объем образующихся продуктов горения. При этом резко возрастает интенсивность выноса твердой фазы из зоны реакции (на 1-2 порядка), что существенно осложняет решение проблем охраны окружающей среды.

Для сравнения приведем некоторые теплофизические характеристики ряда горючих газов (и мазута, для сравнения) при окислении их воздухом и кислородом (табл. 1.4).

28

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Энергосбережение. Теория и практика.

Т. 1. Теоретические основы энергосбережения

Глава 1. Энергия

Таблица 1.4

Горючие газы и мазут при их окислении

Стехиомет-

Стехиометри-

Пределы

рические

ческий объем

Хими

объемы

взрываемости,

Низшая

продуктов

чес-

окислителей,

об. %,

Плот-

теплота

сгорания

Газ

кая

ность,

сгорания,

м3/м3

при окисле-

в смеси:

фор-

кг/м3

МДж/м3

нии, м3/м3

воздух/кислород

мула

(МДж/кг)

воз-

кисло-

возду-

кис-

верх-

ниж-

духа

рода

хом

ло-

ний

ний

родом

Ам-

NН3

0,771

14,361

9,52

2,0

11,9

2,5

27/79

16/13,5

миак

Аце-

С2Н2

1,171

56,899

11,9

2,5

12,4

3,0

80/93

2,5/2,8

тилен

Н -

С4Н10

2,702

123,762

30,96

6,5

33,44

9,0

8,41/-

1,86/-

Бутан

Водо-

Н2

0,090

10,802

2,38

0,5

2,88

1,0

74,2/95

4,0/4,0

род

Ме-

СН4

0,717

35,797

9,52

2,0

10,52

3,0

15/60

5,0/5,0

тан

Оксид

угле-

СО

1,25

12,644

2,38

0,5

2,88

1,0

74,2/96

12,5/12,5

рода

Про-

С3Н8

2,004

92,989

23,8

5,0

25,8

7,0

9,5/-

2,37/-

пан

Эти-

С2Н4

1,26

59,536

14,28

3,0

15,28

4,0

28,6/80,8

2,75/2,75

лен

При-

род-

смесь

0,736

35,05

9,315

1,956

10,467

3,108

15/-

5,0/-

ный

газ

Мазут

смесь

1015

40,5

10,38

2,18

11,14

2,99

-

-

М100

29

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Энергосбережение. Теория и практика.
Т. 1. Теоретические основы энергосбережения	Глава 1. Энергия

1.7. Технологические схемы производства энергии

Практически все энергетическое топливо используется для получения тепловой энергии в виде пара и горячей воды. Исключение составляет топливо, которое непосредственно используется в системах печного, калориферного отопления, а также с применением газовых горелок инфракрасного излучения, когда продукты сгорания природного газа поступают непосредственно в отапливаемое помещение. Широко сейчас используются также системы на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для производства тепловой и электрической энергии (когенерация) и др.

Устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяемой при сжигании топлива, или теплоты, подводимой от посторонних источников (обычно с горячими газами), называют котлами. По производимой продукции они делятся на паровые и водогрейные. Котлы, использующие (утилизирующие) теплоту отходящих из технологических печей газов или других основных и побочных продуктов, называют котлами-утилизаторами. В целях обеспечения стабильной и безопасной работы котла предусматривается установка вспомогательного оборудования, предназначенного для подготовки и подачи топлива, подачи воздуха, подготовки подачи воды, отвода продуктов сгорания топлива и их очистки от золы и токсичных примесей, удаления золошлаковых остатков топлива. В зависимости от вида сжигаемого топлива и других условий некоторые из указанных элементов могут отсутствовать. Котлы, снабжающие паром турбины, называют энергетическими. Для снабжения паром производственных потребителей и отопления зданий разработаны специальные производственные и отопительные котлы.

В качестве источников тепла для котлов используются природные и искусственные топлива, отходящие газы технологических печей и других устройств, ядерная энергия, а также возобновляемые источники энергии – солнечная энергия, ветер, вода рек и др. Значительная часть тепловой энергии превращается в электричество, как правило, на специальных производственных комплексах – электрических станциях. Энергию водного потока преобразовывают в электричество на гидроэлектростанциях (ГЭС). Водный поток вращает рабочие колесо турбины, которое соответственно приводит в движение ротор генератора, вырабатывающего электрический ток. На тепловых электростанциях (ТЭС) турбины вращает пар, вырабатываемый в котлах. На ТЭС производится в мире до 70 - 80 % электроэнергии. В настоящее время кроме паровых турбин на ТЭС используются газотурбинные установки. На электростанциях с двигателями внутреннего сгорания используются самые различные виды топлива – дизельное, природный газ, биогаз и др.

Коэффициент полезного действия современных ТЭС с паровыми турбинами достигает 40 %, с газовыми турбинами пока не более 37 %. Освоены также комбинированные установки с паровыми и газовыми турби-

30

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Энергосбережение. Теория и практика.
Т. 1. Теоретические основы энергосбережения	Глава 1. Энергия

нами (парогазовые установки – ПГУ). Коэффициент полезного действия ПГУ может достигать 60 %. В 50-е годы ХХ века атомные электростанции (АЭС) также имели паротурбинный привод электрогенератора и отличаются от традиционных ТЭС лишь типом парогенератора (рисунок). В целом по всему миру АЭС вырабатывают до 16 % электроэнергии.

По виду отпускаемой электроэнергии паротурбинные ТЭС делятся на конденсационные электрические станции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). На КЭС установлены турбогенераторы конденсационного типа, они производят только электроэнергию.

ТЭЦ отпускают внешним потребителям электроэнергию и тепловую энергию в виде пара и горячей воды. Поскольку ТЭЦ связана с потребителями достаточно протяженными трубопроводами пара и горячей воды, это вызывает повышенные тепловые потери. Это один из основных недостатков централизованных систем теплоснабжения. Подробнее см. [82, 83].

В бывшем СССР был крен в сторону крупных и очень крупных станций. Например, установленная мощность Рефтинской ГРЭС (государственная районная электростанция) составляет 3800 МВт. При этом сжигается очень высокозольный экибастузский уголь. В настоящее время все большее развитие получают системы распределенной (сотовой) энергетики, когда наряду с крупными энергоисточниками в единой системе функционируют мини-ТЭС с установленной мощностью от нескольких десятков кВт [71].

Принципиальное устройство атомной станции

31

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Энергосбережение. Теория и практика.
Т. 1. Теоретические основы энергосбережения	Глава 1. Энергия

Практика показала, что в масштабах страны, региона, территории при централизованном энергоснабжении переход на ГТУ, ПГУ и т.п. не дает резкого роста коэффициента использования топлива (КИТ). При этом существенно усложняются оборудование ТЭС, их тепловые схемы [147].

Более существенные результаты в повышении КИТ до 90 % достигаются при использовании конфигураций комбинированного цикла. Когенерация − комбинированное производство тепловой и электрической энергии. Тригенерация − производство электроэнергии, тепловой энергии и хо-

лода [96].

Сжатый воздух. Для производства сжатого воздуха используются различные компрессорные установки с электроприводом. При производстве дутья для доменных печей металлургических предприятий (доменного дутья) используются компрессоры с турбоприводом. В этом случае значительно снижаются удельные расходы электроэнергии, соответственно, 100 и 80 кВт /1000 м3 сжатого воздуха с давлением около 8 атм.

Кислород. Получают чаще всего из воздуха посредством реализации цикла глубокого охлаждения и разделения воздуха. К настоящему времени созданы воздухоразделительные установки различного назначения. Основой комплекса процессов цикла разделения воздуха является процесс ректификации – это физический способ, базирующийся на различии в температурах кипения отдельных компонентов воздуха. Этот процесс реализуется за счет низких температур. Хладоагентом чаще всего служит сам перерабатываемый воздух. Задача создания необходимого холода сводится к соответствующему уменьшению энтальпии воздуха. С этой целью применяют несколько способов:

•использование расширительной машины (детандера),

•использование эффекта Джоуля – Томсона, который заключается

втом, что в ходе дросселирования сжатого воздуха при определенных условиях происходит понижение его температуры. В зависимости от схемы воздухоразделительной установки возможно получение технологического кислорода, содержащего 95 % кислорода, или технического кислорода, содержащего 99,5 % кислорода.

Контрольные вопросы

1.В какую энергетическую эпоху мы живем?

2.Что произошло на Чернобыльской АЭС (Украина) 26 апреля

1986 г.?

3.Что является первоисточником запасов органических топлив на

Земле?

4.Возможна ли тепловая смерть Вселенной?

5.Основные виды энергии?

32

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Энергосбережение. Теория и практика.
Т. 1. Теоретические основы энергосбережения	Глава 1. Энергия

6.Отличия между первичной и произведенной энергией?

7.Что такое суммарные энергозатраты?

8.Какие виды топлив применяются в повседневной практике?

9.Что такое тепловой баланс котла?

10.Что такое собственные нужды котельной?

11.Чем отличаются КПД брутто и нетто?

12.Почему такой низкий КПД нетто котельной со слоевым сжиганием топлива?

13.Основные виды преобразованной энергии.

14.Основной недостаток централизованных систем теплоснабжения крупных городов.

15.Преимущества и недостатки кислорода как окислителя.

16.Назовите КПД современных электростанций. Почему они такие

низкие?

17.Что такое когенерация, тригенерация?

18.Чем отличаются ядерная и тепловая электростанции?

19.Что такое распределенная (сотовая) энергетика?

33